Đang tải... (xem toàn văn)
BẢNG KÝ HIỆU, VIẾT TẮT ................................................................................ 7 MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 9 Chương 1: Giới thiệu chung về SSD .................................................................... 10 1.1. SSD là gì? .............................................................................................. 10 1.2. Tìm hiểu chung về SSD ......................................................................... 10 1.3. Tóm tắt về cách thức hoạt động của SSD ............................................. 10 1.4. Các loại SSD phổ biến hiện nay ............................................................ 11 Chương 2: Tìm hiểu về ổ đĩa SSD NVMe (PCIe) ............................................... 12 2.1. NVMe là gì? ........................................................................................... 12 2.2. PCIe là gì? .............................................................................................. 12 2.3. Cấu tạo ................................................................................................... 13 2.4. Giải thích về cấu tạo của SSD NVMe ................................................... 14 2.5. Lưu trữ ................................................................................................... 15 2.6. Quản lý tập tin ........................................................................................ 15 2.7. Tối ưu truy xuất dữ liệu ......................................................................... 16 2.8. So sánh công nghệ NVMe với AHCI .................................................... 17 Chương 3: Vấn đề kỹ thuật của SSD .................................................................... 18 3.1. Tại sao phải thay thế HDD ? .................................................................. 18 3.1.1. Cấu tạo và cách thức hoạt động của HDD ....................................... 18 3.1.2. Cách thức hoạt động chính của SSD ................................................ 19 3.1.3. Sự tiến bộ của SSD so với HDD ...................................................... 20 3.3. Làm thế nào để tạo ra được SSD ........................................................... 20 3.4. Công nghệ NAND Flash ........................................................................ 21 3.5. Một số thuật toán quan trọng trong SSD ............................................... 24 3.5.1. Thuật toán Wear Leveling ................................................................ 25 3.5.2. Thuật toán TRIM .............................................................................. 26 3.5.3. Thuật toán Garbage Collection (GC) ............................................... 27 6 Chương 4: Những thách thức và cơ hội của SSD trong tương lai ........................ 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 31 Tiếng Việt ......................................................................................................... 31 Tiếng Anh ......................................................................................................... 31
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hà Thanh Tùng Chu Trung Lương TÌM HIỂU VỀ Ổ ĐĨA SSD NVMe PCIe Ngành: Kỹ thuật máy tính HÀ NỘI - 2023 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hà Thanh Tùng Chu Trung Lương TÌM HIỂU VỀ Ổ ĐĨA SSD NVMe PCIe Ngành: Kỹ thuật máy tính Cán hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Hậu HÀ NỘI – 2023 TÓM TẮT Bạn có biết SSD cơng nghệ lưu trữ liệu đại tiên tiến nay? SSD viết tắt Solid State Drive, thiết bị lưu trữ khơng có phận khí nào, mà sử dụng chip bán dẫn để lưu trữ liệu SSD có nhiều ưu điểm so với thiết bị lưu trữ truyền thống HDD, tốc độ truy cập nhanh hơn, tiết kiệm điện hơn, bền bỉ an toàn Trong tiểu luận này, giới thiệu cho bạn cách hoạt động, cấu tạo, ứng dụng phát triển SSD thời đại số Hãy khám phá giới kỳ diệu SSD tiểu luận Từ khóa: SSD, HDD, NVMe, PCIe LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Tiểu luận “Tìm hiểu ổ đĩa SSD NVMe PCIe” cơng trình nghiên cứu riêng tơi, khơng chép Những phần sử dụng tài liệu tham khảo tiểu luận nêu rõ phần tài liệu tham khảo Các số liệu, kết trình bày tiểu luận sử dụng trung thực Hà Nội, ngày 16 tháng 11 năm 2023 Tác giả Tác giả Hà Thanh Tùng Chu Trung Lương MỤC LỤC BẢNG KÝ HIỆU, VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Chương 1: Giới thiệu chung SSD 10 1.1 SSD gì? 10 1.2 Tìm hiểu chung SSD 10 1.3 Tóm tắt cách thức hoạt động SSD 10 1.4 Các loại SSD phổ biến 11 Chương 2: Tìm hiểu ổ đĩa SSD NVMe (PCIe) 12 2.1 NVMe gì? 12 2.2 PCIe gì? 12 2.3 Cấu tạo 13 2.4 Giải thích cấu tạo SSD NVMe 14 2.5 Lưu trữ 15 2.6 Quản lý tập tin 15 2.7 Tối ưu truy xuất liệu 16 2.8 So sánh công nghệ NVMe với AHCI 17 Chương 3: Vấn đề kỹ thuật SSD 18 3.1 Tại phải thay HDD ? 18 3.1.1 Cấu tạo cách thức hoạt động HDD 18 3.1.2 Cách thức hoạt động SSD 19 3.1.3 Sự tiến SSD so với HDD 20 3.3 Làm để tạo SSD 20 3.4 Công nghệ NAND Flash 21 3.5 Một số thuật toán quan trọng SSD 24 3.5.1 Thuật toán Wear Leveling 25 3.5.2 Thuật toán TRIM 26 3.5.3 Thuật toán Garbage Collection (GC) 27 Chương 4: Những thách thức hội SSD tương lai 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 31 Tiếng Việt 31 Tiếng Anh 31 BẢNG KÝ HIỆU, VIẾT TẮT Bảng ký hiệu Viết SSD Solid State Drive NVMe Non-Volatile Memory Express PCIe Peripheral Component Interconnect Express HDD Hard Disk Drive CTF Charge Trap Flash FG Floating Gate TRIM Trip Point Memory DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình PCIe 13 Hình SSD M.2 NVMe 14 Hình So sánh NVMe AHCI 17 Hình Ổ đĩa HDD 19 Hình NAND 22 Hình NAND Flash Cell 23 Hình Cấu tạo NAND 24 Hình Thuật tốn Wear Levelling 26 Hình Thuật tốn TRIM 27 Hình 10 Thuật toán Garbage Collection 28 MỞ ĐẦU Trong thời đại công nghệ số ngày nay, việc lưu trữ truy xuất liệu cách nhanh chóng an tồn yêu cầu thiết yếu Trong nhiều năm qua, ổ cứng HDD (Hard Disk Drive) thiết bị lưu trữ phổ biến nhất, có nhiều hạn chế tốc độ, độ bền tiêu thụ điện Để khắc phục nhược điểm này, ổ cứng SSD (Solid State Drive) phát triển trở thành xu hướng lĩnh vực lưu trữ liệu SSD loại ổ cứng dùng nhớ flash để lưu trữ liệu, khơng có phận khí HDD, có tốc độ truy xuất cao hơn, độ bền lâu tiết kiệm điện Trong số loại SSD, SSD NVMe (Non-Volatile Memory Express) loại SSD đại nhất, sử dụng giao tiếp PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) để kết nối với máy tính, cho phép truyền tải liệu nhanh nhiều lần so với SSD thông thường Bài tiểu luận nhằm nghiên cứu vấn đề kỹ thuật để người tạo nên SSD, đặc biệt SSD NVMe Bài tiểu luận chia thành ba phần Phần tìm hiểu đặc tính cấu tạo SSD nói chung SSD NVMe nói riêng Phần hai phần trọng tâm giải thích SSD thay tốt cho HDD cách so sánh đặc tính kỹ thuật hiệu hai loại ổ cứng này, với nguyên lý cách thức mà SSD dùng để lưu trữ liệu cách người tư để tối ưu hóa SSD đưa vào sống Phần phần cuối bài, đúc kết lại nghiên cứu thách thức hội SSD tương lai Cuối cùng, tiểu luận kết luận đưa số khuyến nghị cho việc sử dụng phát triển SSD tương lai Chương 1: Giới thiệu chung SSD 1.1 SSD gì? SSD viết tắt “Solid State Drive” (ổ đĩa thể rắn), thiết bị lưu trữ thể rắn khơng có phận chuyển động học, dùng để lưu trữ truy cập liệu máy tính, trì liệu trạng thái vĩnh viễn tắt nguồn 1.2 Tìm hiểu chung SSD - Khơng sử dụng thành phần học chuyển động nào, đĩa quay ổ đĩa cứng truyền thống (HDD) Thay đó, sử dụng nhớ flash NAND để lưu trữ liệu (Tại không sử dụng flash NOR: Vì nhớ NAND tổ chức theo dạng lưới cịn NOR theo dãy dọc, Giá thành rẻ, dung lượng lớn hơn, chịu nhiều chu kì ghi xóa hơn) - SSD sử dụng nhớ bán dẫn SRAM, DRAM hay FLASH để lưu trữ thay học HDD truyền thống - Tốc độ nhanh chóng: SSD cung cấp tốc độ đọc ghi liệu nhanh so với HDD Điều làm cho máy tính thiết bị nâng cấp SSD trở nên nhanh việc khởi động hệ thống, mở ứng dụng truyền liệu(Mất tầm khoảng 10s để máy tính khởi động có ổ đĩa SSD) - Lưu trữ truy cập liệu: SSD sử dụng để lưu trữ tất loại liệu, bao gồm hệ điều hành, ứng dụng, tệp tin, nhiều loại liệu khác Dữ liệu lưu trữ SSD truy cập nhanh chóng an tồn - Tiêu thụ lượng thấp: SSD tiêu thụ lượng so với HDD, làm giảm ấm lên máy tính kéo dài thời gian sử dụng pin cho thiết bị di động - Độ bền tin cậy: SSD thường có độ bền cao khơng có phận học chuyển động hỏng hóc Nó khơng bị ảnh hưởng va đập rung động 1.3 Tóm tắt cách thức hoạt động SSD - Ghi liệu: +Khi hệ thống yêu cầu ghi liệu lên SSD, liệu chuyển đến nhớ đệm (buffer) SSD +Bộ điều khiển (controller) SSD định nơi lưu trữ liệu ô nhớ NAND flash 10 Tuy nhiên, cần lưu ý hiệu suất truy xuất liệu cụ thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm cấu hình hệ thống cụ thể loại ứng dụng chạy 2.8 So sánh công nghệ NVMe với AHCI - Giao tiếp: NVMe cho phép SSD kết nối trực tiếp với CPU thông qua bus PCIe thông qua controller bo mạch chủ sau đến CPU - Tốc độ truyền liệu: NVMe truyền liệu qua lane tốc độ cao, Gen truyền tới 2000MB/s với SSD sử dụng so với SATA có truyền tối đa 600MB/s - Hàng đợi lệnh: NVMe lên đến 64k hàng đợi AHCI có - Lệnh hàng đợi: NVMe lên đến 64k hàng lệnh AHCI 32 - Chu kỳ CPU: NVMe chu kỳ, AHCI chu kỳ - Độ trễ: NVMe 2800ns, AHCI 6000ns Từ so sánh ta thấy tiên tiến vượt bậc NVMe có giao tiếp PCIe so với cơng nghệ cũ Hình So sánh NVMe AHCI 17 Chương 3: Vấn đề kỹ thuật SSD 3.1 Tại phải thay HDD ? 3.1.1 Cấu tạo cách thức hoạt động HDD - Cấu tạo ổ đĩa cứng (HDD) gồm: + Platter (Đĩa cứng): đĩa tròn làm từ kim loại thủy tinh tráng lớp từ tính Dữ liệu lưu trữ dạng từ tính bề mặt platter HDD có nhiều platter xếp chồng lên + spindle (Motor quay): motor quay đặc biệt, nhiệm vụ quay platter với tốc độ xác định Platter cần phải xoay nhanh để đảm bảo đầu đọc/ghi truy cập liệu bề mặt + R/W head (đầu đọc ghi): Mỗi platter có đầu đọc/ghi Đầu đọc/ghi phận nhỏ nằm đầu cần đọc ghi liệu từ lên platter Đầu đọc/ghi sử dụng từ tính để đọc liệu từ platter tạo từ tính platter để ghi liệu + Actuator Arm (Cánh điều khiển): Là cánh tay học chuyển động lên xuống bề mặt platter Đầu đọc/ghi đính actuator arm Cánh điều khiển di chuyển để đưa đầu đọc/ghi đến vị trí cụ thể platter để truy cập liệu + Actuator Axis (Trục điều khiển): trục xoay cho phép actuator arm di chuyển Khi actuator arm quay qua trục này, di chuyển đầu đọc/ghi đến vị trí cần thiết platter + Controller (Bộ điều khiển): phận quản lý điều khiển hoạt động HDD Nó xử lý lệnh từ máy tính quản lý việc di chuyển actuator arm đọc/ghi liệu từ lên platter 18 Hình Ổ đĩa HDD 3.1.2 Cách thức hoạt động SSD - SSD sử dụng floating gate transistor (bóng bán cổng nổi) để lưu trữ bit riêng lẻ - Bên bóng bán dẫn có lớp dẫn điện mà SSD bẫy electron qua, lớp dẫn điện giữ electron tạo điện tích có electron bị bẫy xác định xem bóng bán dẫn đại diện cho hay (Nếu lớp dẫn điện chứa nhiều electron cịn ngược lại khơng có đại diện cho 0) - Để lật bit chuyển trạng thái khác electron bị đẩy khỏi lớp dẫn điện - Đây thiết kế hữu ích, electron bị mắc kẹt bên bóng bán dẫn nên SSD giữ lại liệu chúng bị tắt nguồn - Nhược điểm việc buộc electron qua lớp cách điện có điện áp tương đối cao làm bị hao mòn theo thời gian, cuối dùng độ mòn trở nên trầm trọng đến mức bóng bán dẫn rị rỉ electron mà liệu - Nhưng trước điều xảy điều khiển SSD làm cho SSD đọc, bạn ghi khơi phục liệu - Tuy nhiên, việc tuổi thọ SSD hữu hạn khơng có nghĩa phải lo lắng việc SSD bị hao mòn nhanh, SSD đại thiết kế cho số lượng quyền đọc ghi khổng lồ với tính gọi wear leveling (cân độ hao mịn) Điều 19 có nghĩa phân bổ quyền đọc ghi tồn SSD thay ghi ghi lại vài làm bị hao mịn nhanh 3.1.3 Sự tiến SSD so với HDD Từ đặc điểm cấu tạo cách thức hoạt động SSD HDD ta kết luận sau - Độ bền độ tin cậy: Do cấu tạo SSD thể rắn sử dụng flash NAND để lưu trữ liệu, cịn HDD tất phận phận chuyển động học nên SSD có khả chống lại hư hỏng vật lý, nhiệt từ trường tốt so với HDD chúng khơng có phận chuyển động Ổ cứng HDD bị hỏng hao mịn, hỏng hóc học nóng - Tốc độ hiệu suất: SSD nhanh nhiều so với HDD chúng truy cập liệu trực tiếp từ chip nhớ flash mà không cần phải đợi đĩa quay quay đầu đọc/ghi di chuyển SSD giảm thời gian khởi động, thời gian tải ứng dụng, thời gian truyền liệu khả phản hồi hệ thống - Hiệu điện lượng: SSD tiêu thụ lượng HDD chúng khơng cần quay đĩa di chuyển đầu từ Điều tiết kiệm pin, giảm sinh nhiệt giảm chi phí điện - Trọng lượng tiếng ồn: SSD nhẹ êm HDD chúng nhỏ khơng có phận chuyển động Điều làm cho thiết bị bạn di động hơn, thoải mái im lặng - Kích thước kiểu dáng: SSD linh hoạt dễ thích ứng HDD chúng vừa với hình dạng kích cỡ khác nhau, chẳng hạn M.2, PCIe SATA Điều cho phép bạn nâng cấp thiết bị với nhiều dung lượng lưu trữ sử dụng SSD loại thiết bị khác nhau, chẳng hạn máy tính xách tay, máy tính bảng máy chủ 3.3 Làm để tạo SSD Máy tính bạn có trở nên chậm cũ không? Cố gắng làm thứ bạn nghĩ để nâng cao nó dường khơng có tác dụng gì, có lẽ vấn đề khơng phải cài đặt hệ điều hành máy tính mà ổ cứng học cũ mà bạn cài sẵn Và bật nỗ lực bạn, khơng thể nhanh 20 Vào đầu năm 1980 công nghệ EPROM (Erasable Programmable ReadOnly Memory) mở khái niệm nhớ xóa lập trình lại, tức ghi đọc xóa, từ SSD đời EPROM sử dụng nhớ floating-gate MOSFET (hay cịn gọi floating-gate transistor) để lưu trữ liệu, trình xóa lại phải yêu cầu chip tiếp xúc với tia cực tím Giữa năm 80-90 EPROM tiếp tục phát triển thành EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), chip nhớ xóa ghi cách sử dụng điện tích khơng cịn có khả xóa ghi lại liệu điện tử mà không cần phải loại bỏ khỏi hệ thống Năm 1984, kỹ sư người Nhật Fujio Masuka phát minh phương tiện lưu trữ điện cơng ty Toshiba, không cần lượng để lưu liệu lưu giữ liệu nhiều năm, q trình xóa nhanh khiến ơng nhớ đến đèn flash từ cơng nghệ Flash đời Đầu năm 1990 NAND Flash Memory xuất hiện, loại EEPROM có mật độ cao số chu kỳ ghi thấp hơn, cơng nghệ có khả lưu trữ liệu dạng điện tử ô nhớ dựa cổng NAND NAND flash nhanh chóng trở thành lựa chọn phổ biến cho ổ đĩa SSD Ta tìm hiểu kỹ về NAND flash phần sau 3.4 Công nghệ NAND Flash Đầu tiên ta phải hiểu công nghệ NAND Flash gọi có cấu trúc giống Transistor NAND Cách NAND Flash lưu trữ liệu dựa việc sử dụng điện áp để di chuyển electron qua lại cổng kênh transistor cửa để biểu diễn bit liệu 21 Hình NAND Mỗi cell NAND Flash tạo dựa công nghệ CTF (Charge Trap Flash) Vậy hoạt động nào? Trong tế bào, lưu trữ thông tin cách đặt mức electron khác vào bẫy điện tích, phần quan trọng tế bào nhớ Công nghệ cũ lưu trữ mức electron khác nhau, nhiều electron hay electron sử dụng để lưu trữ bit dạng Tuy nhiên kỹ sư phát triển khả tinh chỉnh để bẫy mức khác electron Hầu hết ô nhớ vào năm 2020 chứa cấp độ khác (tương đương bit) Điều có nghĩa đơn lẻ thay giữ bit nhiều electron khơng có electron chưa nhiều bit 22 Hình NAND Flash Cell Ví dụ với nhớ bit, có electron 111 100 định thêm số electron nhiều electron 000 cấp độ khác cho tất lượng điện tích khác mà mà bẫy điện tích thiết lập ghi vào Điểm mấu chốt bẫy điện tích(Charge Trap) thiết kế đặc biệt sau tích điện giữ electron thời gian lâu, lên đến nhiều thập kỷ Đó thơng tin ghi lưu vào ổ đĩa SSD Nó gọi bẫy điện tích (Charge Trap) bẫy electron nhiều năm liên tục để đọc thông tin mức điện tích đo lượng điện tích bẫy điện tích khơng thay đổi Tuy nhiên, để xóa nội dung nhớ tất điện tích bị loại bỏ khỏi bẫy điện tích đưa mức thấp 111 khơng để lại điện tích dư thừa Như ta thấy electron lưu trữ FG (Floating Gate), ô nhớ ghi điện áp cao (Vth > VG) áp dụng để đẩy electron lên FG xóa điện áp ngược áp dụng để đẩy ngược electron trở lại từ FG qua lớp cách điện Điều làm lớp cách điện ô nhớ suy giảm dần làm electron lưu trữ bị rò rỉ ngoài, dẫn đến liệu Nhưng điều khiển SSD ln theo dõi tình trạng cell phát cell đạt đến giới hạn số lần ghi thân, chuyển cell sang chế độ đọc để ngăn chặn việc ghi thêm vào cell Khi số lượng đủ lớn cell trở thành đọc, toàn SSD chuyển thành đọc, lúc cần lưu ý nên lưu giữ liệu nhanh tốt 23 Có phải bạn lo lắng vấn đề ghi đọc cell khơng đồng nhanh hỏng Đừng lo lắng thiết kế nhà thiết kế nghĩ đến điều thiết kế thuật tốn cân mức độ hao mịn Nhưng nói phần sau, khám phá tiếp NAND Flash Tiếp tục khám phá cách tổ chức cell, để lưu trữ nhiều bit thơng tin ta xếp chồng cell lên với gọi String (chuỗi) Khi thông tin ghi vào đọc từ string cell kích hoạt thời điểm nào, để làm điều người ta sử dụng cổng điều khiển riêng biệt gắn vào string gọi (Control Gate) Khi Control Gate gọi cell gửi thơng tin qua tâm chuỗi lên đến đường cao tốc gọi Bitline Nhân chuỗi lên ta hàng ngang gọi Page, page String kết hợp lại gọi Row Tuy nhiên nhân String lên lần có nhiêu đường Bitline tương ứng Control Gate không thay đổi, tức Page Control Gates Điều làm cho kích hoạt Control Gate tất các Page kích hoạt lúc Phức tạp tiếp, ta nhân tiếp Row lên tạo thành Blocks, từ ta phải thêm lựa chọn để lần có Row vào Bitline gọi Bitline selectors Hình Cấu tạo NAND 3.5 Một số thuật toán quan trọng SSD Trong HDD, liệu lưu trữ đĩa từ đầu đọc/ghi di chuyển đến vị trí cần thiết để đọc ghi liệu Do đó, thuật tốn lựa chọn thứ tự yêu cầu I/O (như FCFS, SSTF, SCAN, C-SCAN, LOOK, C-LOOK) cải thiện hiệu suất 24 cách giảm thời gian tìm kiếm Tuy nhiên, SSD lưu trữ liệu chip nhớ flash, khơng có phận học di chuyển Do đó, thời gian truy cập tất vị trí lưu trữ nhau, khơng phụ thuộc vào vị trí liệu Vì vậy, thuật tốn lựa chọn thứ tự u cầu I/O khơng cịn cần thiết Thay vào SSD sử dụng số thuật tốn khác để quản lý tối ưu hóa hiệu suất tuổi thọ ổ đĩa thuật tốn cân mức độ hao mịn (Wear Leveling), Thuật toán TRIM, Thuật toán Garbage Collection 3.5.1 Thuật toán Wear Leveling Đây thuật toán thiết kế để đảm bảo tất cell nhớ flash SSD sử dụng đều, nhằm tối đa hóa tuổi thọ SSD - Nguyên tắc bản: Nguyên tắc Wear Leveling phân phối hoạt động ghi tất khối SSD, nhằm đảm bảo tất cell nhận số lần ghi, tránh việc ghi nhiều lần vào khối - Nguyên lý hoạt động: Wear Leveling quản lý điều khiển (controller) SSD chuyên xử lý hoạt động ổ đĩa Nó q trình di chuyển liệu từ ô nhớ flash sử dụng nhiều lần sang ô nhớ flash khác, nhằm đảm bảo ô nhớ flash sử dụng cách đồng Có loại Wear Leveling: - Dynamic Wear Leveling (Cân hao mòn động): Phân phối lại liệu cell nhớ SSD cách theo dõi số lần khối ghi Khi liệu ghi vào ổ đĩa, ghi vào khối trống sử dụng trước Tuy nhiên, Dynamic Wear Leveling xem xét khối sử dụng Điều có nghĩa số khối liệu cố định thay đổi, chúng không di chuyển, dẫn đến mức độ mịn khơng -Static Wear Leveling (Cần hao mòn tĩnh): Theo dõi khối sử dụng chưa sử dụng di chuyển liệu từ khối ghi thường xuyên đến khu vực sử dụng hơn, điều liên quan đến việc di chuyển liệu tĩnh chưa thay đổi gần Phân phối liệu theo cách thường tạo phân phối ghi cell SSD dẫn đến nhiều hoạt động ghi so với Dynamic Wear Leveling 25 Hình Thuật tốn Wear Levelling 3.5.2 Thuật tốn TRIM TRIM lệnh cho phép hệ điều hành thông báo cho SSD biết khối liệu khơng cịn sử dụng xóa -Nguyên tắc bản: Giúp làm không gian không cịn sử dụng, giảm q trình xóa ghi liệu mới, tăng tuổi thọ hiệu suất -Nguyên lý hoạt động: TRIM lệnh cho phép hệ điều hành thông báo cho SSD biết block liệu khơng cịn sử dụng xóa Điều giúp cải thiện hiệu suất ghi SSD tương lai -Cơ chế hoạt động: Khi tập tin xóa block liệu khơng cịn sử dụng, hệ điều hành gửi lệnh TRIM đến SSD Lệnh thông báo cho SSD biết liệu block cụ thể khơng cịn cần thiết xóa Khi SSD nhận lệnh TRIM, xóa block liệu tương ứng, làm cho chúng sẵn sàng để ghi liệu 26 Hình Thuật tốn TRIM -Tác động đến hiệu suất SSD: Mà khơng có lệnh TRIM, SSD liệu cũ khơng cịn cần thiết Khi SSD cần ghi liệu mới, phải thực q trình gồm hai bước: xóa block liệu cũ sau ghi liệu Q trình làm giảm hiệu suất ghi SSD Bằng cách sử dụng lệnh TRIM để xóa trước block liệu khơng cần thiết, SSD ghi liệu cách nhanh chóng -Hỗ trợ TRIM: Để sử dụng lệnh TRIM, hệ điều hành ổ SSD phải hỗ trợ lệnh Hầu hết hệ điều hành đại ổ SSD hỗ trợ lệnh TRIM -TRIM tuổi thọ SSD: Việc sử dụng lệnh TRIM không cải thiện hiệu suất ghi SSD, mà cịn giúp kéo dài tuổi thọ ổ đĩa Điều việc xóa block liệu không cần thiết giúp giảm việc ghi lại liệu khơng cần thiết, từ giảm hao mịn cho nhớ flash SSD 3.5.3 Thuật toán Garbage Collection (GC) Đây thuật toán sử dụng để dọn dẹp tái tổ chức liệu SSD, giúp tối ưu hóa hiệu suất ghi liệu -Nguyên lý hoạt động: GC trình tự động thực nhiệm vụ quản lý nhớ Trong trình chạy chương trình, đối tượng tạo vùng nhớ heap, phần nhớ dành cho chương trình Sau cùng, có vài đối tượng mà chương trình khơng cần dùng đến Các đối tượng garbage collector truy tìm xóa bỏ để thu hồi lại dung lượng nhớ 27 -Cơ chế hoạt động: Khi đối tượng khơng cịn tham chiếu đến nữa, đối tượng trở nên vơ hiệu Có số hành động tạo nên đối tượng vô hiệu: Gán giá trị null cho tham chiếu, Gán đối tượng khác cho tham chiếu, Tạo đối tượng không tên (khơng có tham chiếu) Hình 10 Thuật tốn Garbage Collection -Phương thức finalize: Phương thức finalize gọi lần trước đối tượng thu gom rác Nhà phát triển override phương thức để tùy biến việc dọn dẹp -Phương thức gc: Phương thức gc sử dụng để gọi thu gom rác để thực trình dọn dẹp Tuy vậy, cần nhớ khơng có đảm bảo máy ảo thực dọn dẹp -Cheney’s algorithm: Một thuật toán GC khác Cheney’s algorithm Thu gom rác thực cách chép đối tượng sống từ semi space (fromspace) sang semi space khác (to-space), sau trở thành heap Tồn heap cũ sau loại bỏ theo cách 28 Chương 4: Những thách thức hội SSD tương lai SSD có nhiều ưu điểm so với ổ cứng truyền thống, tốc độ truy xuất nhanh, tiết kiệm điện năng, bền bỉ chống sốc Tuy nhiên, SSD phải đối mặt với nhiều thách thức cần phải sáng tạo để phát triển tương lai Một thách thức lớn SSD giá thành cao Theo báo cáo TrendForce, giá trung bình SSD 128GB vào quý IV năm 2023 18 USD, giá ổ cứng HDD 1TB 36 USD Điều có nghĩa SSD có giá trị dung lượng la gấp 11 lần so với HDD Do đó, nhiều người dùng chưa sẵn sàng chuyển sang SSD hoàn toàn, mà thường kết hợp hai loại ổ cứng để tận dụng dung lượng lớn HDD tốc độ cao SSD Để giảm giá thành SSD, nhà sản xuất phải tìm cách tăng mật độ lưu trữ nhớ flash Một cách làm điều sử dụng công nghệ 3D NAND, loại nhớ flash xếp chồng nhiều lớp ô nhớ lên để tăng khả lưu trữ diện tích nhỏ Theo Kingston Technology, cơng nghệ 3D NAND tăng dung lượng SSD lên đến 2TB kích thước 2,5 inch, lên đến 16TB kích thước 3,5 inch Ngồi ra, cơng nghệ 3D NAND giúp cải thiện tuổi thọ, hiệu độ tin cậy SSD Một thách thức khác SSD hao mịn nhớ flash Mỗi nhớ flash ghi xóa số lần định trước bị hỏng Theo nghiên cứu Google, tỷ lệ lỗi SSD tăng lên số lần ghi tăng lên, đạt đến 13,5% sau năm sử dụng Điều gây liệu làm giảm hiệu suất SSD Để giải vấn đề này, nhà sản xuất SSD áp dụng kỹ thuật quản lý ổ cứng rắn, phân bổ cân (wear leveling), thu gom rác (garbage collection), mã hóa liệu (data encryption) Các kỹ thuật nhằm mục đích phân phối đồng tác vụ ghi lên ô nhớ, xóa bỏ liệu khơng cần thiết, bảo vệ liệu khỏi bị đánh cắp thay đổi Tuy nhiên, kỹ thuật có nhược điểm tăng độ trễ, tiêu thụ điện năng, làm giảm dung lượng có sẵn SSD Một hướng sáng tạo cho tương lai SSD sử dụng loại nhớ mới, vượt qua hạn chế nhớ flash Một ví dụ nhớ ReRAM (Resistive Random Access Memory), loại nhớ khơng biến đổi thay đổi trạng thái điện trở ô nhớ để lưu trữ liệu Bộ nhớ ReRAM có nhiều ưu điểm so với nhớ flash, tốc độ ghi nhanh hơn, tuổi thọ cao hơn, khả lưu trữ nhiều bit 29 ô nhớ Theo báo cáo Western Digital, nhớ ReRAM đạt tốc độ ghi lên đến 1,5GB/s, tuổi thọ lên đến 100 triệu chu kỳ ghi, mật độ lưu trữ lên đến 128Gb chip Tóm lại, SSD loại ổ cứng thể rắn có nhiều ưu điểm tốc độ, tiết kiệm điện năng, bền bỉ chống sốc Tuy nhiên, SSD gặp phải nhiều thách thức giá thành cao, hao mòn nhớ flash, cạnh tranh loại ổ cứng Để phát triển tương lai, SSD cần phải sáng tạo cách tăng mật độ lưu trữ, cải thiện quản lý ổ cứng, sử dụng loại nhớ có hiệu độ tin cậy cao 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt https://media.kingston.com/kingston/pdf/ktc-article-understanding-ssdtechnology- vn.pdf https://www.thegioididong.com/hoi-dap/tim-hieu-ve-cac-chuan-toc-do-cua-ocung-ssd-tren-l-1115453 https://www.thegioididong.com/game-app/o-cung-ssd-nvme-la-gi-uu-diem-cuacong-nghe-o-cung-ssd-nvme-1372693 Trim gì? Định nghĩa, ví dụ, giải thích (sotaydoanhtri.com) Tiếng Anh How SSDs Work? How does NAND Flash work? Explaining SSDs What is NVMe? | Explained Bit Rot: How Hard Drives and SSDs Die Over Time (howtogeek.com) 10 Do SSDs Degrade Over Time? - Condusiv - The Diskeeper Company 11 What Is SSD Wear Leveling and How Does It Work? (makeuseof.com) 12 Wear Leveling| SSD | Ontrack blog 31